Astronomia

komety różnią się od Planetoid przede wszystkim lodowatym składem, co powoduje, że gwałtownie rozjaśniają się w miarę zbliżania się do słońca, tworząc tymczasową atmosferę. W niektórych wczesnych kulturach te tak zwane “Owłosione gwiazdy” były uważane za Zapowiedzi katastrofy. Dziś już nie boimy się komet, ale z niecierpliwością oczekujemy tych, które zbliżyłyby się do nas na tyle, by zrobić dobry pokaz nieba.

pojawienie się komet

kometa jest stosunkowo małym kawałkiem lodowatego materiału (zwykle o średnicy kilku kilometrów), który tworzy atmosferę w miarę zbliżania się do Słońca. Później może być bardzo słaby, mgławicowy ogon, rozciągający się kilka milionów kilometrów od głównego ciała komety. Komety były obserwowane od najdawniejszych czasów: relacje o kometach znajdują się w historiach praktycznie wszystkich starożytnych cywilizacji. Typowa Kometa nie jest jednak spektakularna na naszym niebie, zamiast tego ma wygląd raczej słabej, rozproszonej plamki światła nieco mniejszej niż Księżyc i wielokrotnie mniej świetlistej. (Komety wydawaĹ ‘y siÄ ™ bardziej spektakularne ludziom przed wynalezieniem sztucznego oĹ” wietlenia, ktĂłre kompromituje nasz widok na nocne niebo.)

podobnie jak Księżyc i planety, komety wydają się wędrować między gwiazdami, powoli przesuwając swoje pozycje na niebie z nocy na noc. Jednak w przeciwieństwie do Planet, większość komet pojawia się w nieprzewidywalnych czasach, co być może wyjaśnia, dlaczego często budziły strach i przesądy w dawnych czasach. Komety zazwyczaj pozostają widoczne przez okres od kilku tygodni do kilku miesięcy. Powiemy więcej o tym, z czego są wykonane i jak stają się widoczne po omówieniu ich ruchów.

zauważ, że nieruchome obrazy komet sprawiają wrażenie, że szybko poruszają się po niebie, jak jasny meteor lub spadająca gwiazda. Patrząc tylko na takie obrazy, łatwo pomylić komety i meteory. Ale widziane na prawdziwym niebie, są one bardzo różne: meteor spala się w naszej atmosferze i zniknął w ciągu kilku sekund, podczas gdy Kometa może być widoczna przez kilka tygodni w prawie tej samej części nieba.

Orbita komety

Rysunek 1: Kometa Halleya. Ten złożony z trzech obrazów (jeden na Czerwono, jeden na Zielono, jeden na niebiesko) pokazuje kometę Halleya widzianą przez wielki teleskop w Chile w 1986 roku. W czasie wykonywania sekwencji trzech zdjęć Kometa poruszała się wśród gwiazd. Teleskop został przesunięty, aby utrzymać stabilny obraz komety, powodując, że gwiazdy pojawiają się w trzech egzemplarzach (po jednym w każdym kolorze) w tle. (kredyt: modyfikacja pracy przez ESO)

badania komet jako członków Układu Słonecznego datuje się od czasów Izaaka Newtona, który jako pierwszy zasugerował, że obiegały One słońce po niezwykle wydłużonych elipsach. Kolega Newtona Edmund Halley (zob. Edmund Halley: Astronomy ‘ s Renaissance Man) rozwinął te idee i w 1705 roku opublikował obliczenia 24 Orbit komet. W szczególności zauważył, że orbity jasnych komet, które pojawiły się w latach 1531, 1607 i 1682 były tak podobne, że te trzy mogły być tą samą kometą, powracając do Peryhelium (najbliżej Słońca) w średnich odstępach 76 lat. Jeśli tak, przewidział, że obiekt powinien powrócić około 1758 roku. Chociaż Halley zmarł, zanim Kometa pojawiła się, jak przewidywał, nadano jej nazwę Kometa Halley (rymowane z “dolina”) na cześć astronoma, który pierwszy rozpoznał ją jako stałego członka naszego Układu Słonecznego, krążącego wokół Słońca. Jego aphelion (najdalszy punkt od Słońca) znajduje się poza orbitą Neptuna.

wiemy już z historycznych zapisów, że kometa Halleya była obserwowana i rejestrowana przy każdym przejściu w pobliżu Słońca od 239 r.p. n. e. w odstępach od 74 do 79 lat. Okres jego powrotu różni się nieco ze względu na zmiany orbitalne wytwarzane przez przyciąganie planet-olbrzymów. W 1910 roku ziemia została otarta ogonem komety, co wywołało wiele niepotrzebnych niepokojów społecznych. Kometa Halley po raz ostatni pojawiła się na naszym niebie w 1986 roku (ryc. 1), Kiedy to została napotkana przez kilka statków kosmicznych, które dały nam wiele informacji o jej składzie; powróci w 2061 roku.

Edmund Halley: człowiek renesansu Astronomii

Rysunek 2: Edmund Halley (1656-1742). Halley był płodnym współtwórcą Nauk. Jego badania komet na przełomie XVIII i XIX wieku pomogły przewidzieć orbitę komety, która obecnie nosi jego imię.

Edmund Halley (Rysunek 2), genialny astronom, który wniósł wkład w wielu dziedzinach nauki i statystyki, był pod każdym względem hojną, ciepłą i towarzyską osobą. W tym, był zupełnie przeciwieństwem jego dobry przyjaciel Isaac Newton, którego wielkie dzieło, Principia (patrz orbity i grawitacja), Halley zachęcił, redagował i pomógł zapłacić za publikację. Sam Halley opublikował swoją pierwszą pracę naukową w wieku 20 lat, będąc jeszcze na studiach. W rezultacie otrzymał królewską Komisję, aby udać się na wyspę Świętej Heleny (odległą wyspę u wybrzeży Afryki, gdzie Napoleon został później wygnany), aby wykonać pierwsze teleskopowe badanie nieba południowego. Po powrocie otrzymał tytuł magistra i w wieku 22 lat został wybrany do prestiżowego Royal Society w Anglii.

oprócz pracy nad kometami, Halley był pierwszym astronomem, który uznał, że tak zwane “stałe” gwiazdy poruszają się względem siebie, zauważając, że kilka jasnych gwiazd zmieniło swoje pozycje od czasu opublikowania starożytnych greckich katalogów Ptolemeusza. Napisał pracę na temat możliwości nieskończonego wszechświata, zaproponował, że niektóre gwiazdy mogą być zmienne oraz omówił naturę i rozmiar mgławic (świecące struktury przypominające chmury widoczne w teleskopach). Podczas pobytu w Świętej Helenie Halley obserwował planetę Merkury przechodzącą przez słońce i opracował matematykę, w jaki sposób takie tranzyty mogą być wykorzystane do ustalenia wielkości układu słonecznego.

w innych dziedzinach, Halley opublikował pierwszą tabelę oczekiwanych długości życia ludzi( prekursor statystyk ubezpieczenia na życie); napisał artykuły na temat monsunów, wiatrów i pływów (po raz pierwszy rysując pływy w kanale La Manche); położył podwaliny pod systematyczne badania ziemskiego pola magnetycznego; badał parowanie i sposób, w jaki wody śródlądowe stają się słone; i nawet zaprojektował Podwodny dzwon nurkowy. Służył jako brytyjski dyplomata, doradzając cesarzowi Austrii i rozprawiając się z przyszłym carem Rosji Wokół Anglii (mówi się, że dyskutował zarówno o znaczeniu nauki, jak i jakości lokalnej brandy).

w 1703 roku Halley został profesorem geometrii w Oksfordzie, a w 1720 roku został astronomem Królewskim Anglii. Kontynuował obserwację ziemi i nieba oraz publikowanie swoich pomysłów przez kolejne 20 lat, aż do śmierci, która pochłonęła go w wieku 85 lat.

tylko kilka komet powraca w czasie mierzalnym dla człowieka (krótszym niż wiek), tak jak komety Halleya; są to komety krótkookresowe. Wiele komet krótkookresowych zmieniło swoje orbity przez zbyt bliskie zbliżenie się do jednej z planet-olbrzymów-najczęściej Jowisza (i dlatego są czasami nazywane kometami z rodziny Jowisza). Większość komet ma długie okresy i ich powrót zajmie tysiące lat, jeśli w ogóle powrócą. Jak zobaczymy w dalszej części tego rozdziału, większość komet z rodziny Jowisza pochodzi z innego źródła niż komety długookresowe (te z okresami orbitalnymi dłuższymi niż około wieku).

rekordy obserwacyjne istnieją dla tysięcy komet. W ostatnich dziesięcioleciach odwiedziły nas dwie jasne komety. Po raz pierwszy, w marcu 1996 roku, pojawiła się Kometa Hyakutake, z bardzo długim ogonem. Rok później pojawiła się Kometa Hale-Bopp; była tak jasna jak najjaśniejsze gwiazdy i pozostawała widoczna przez kilka tygodni, nawet w obszarach miejskich (patrz zdjęcie otwierające ten rozdział).

Tabela 1 wymienia kilka znanych komet, których historia lub wygląd jest szczególnie interesujący.

jądro komety

kiedy patrzymy na aktywną kometę, zwykle widzimy tylko tymczasową atmosferę gazu i pyłu oświetloną przez światło słoneczne. Atmosfera ta nazywana jest głową komety lub śpiączką. Ponieważ grawitacja tak małych ciał jest bardzo słaba, atmosfera cały czas gwałtownie ucieka; musi być uzupełniana przez nowy materiał, który musi skądś pochodzić. Źródłem jest małe, stałe jądro wewnątrz, o średnicy zaledwie kilku kilometrów, zwykle ukryte przez poświatę od znacznie większej atmosfery otaczającej je. Jądro jest prawdziwą kometą, fragmentem starożytnego lodowatego materiału odpowiedzialnego za atmosferę i ogon (ryc. 3).

Rysunek 3: części komety. Ta schematyczna ilustracja pokazuje główne części komety. Zauważ, że różne struktury nie są skalowane.

współczesna teoria fizycznej i chemicznej natury komet została po raz pierwszy zaproponowana przez astronoma z Harvardu Freda Whipple ‘ a w 1950 roku. Przed pracami Whipple ‘ a wielu astronomów uważało, że jądro komety może być luźną agregacją ciał stałych, czymś w rodzaju orbitującego “żwirowego brzegu”, Whipple zaproponował zamiast tego, że jądro jest obiektem stałym o średnicy kilku kilometrów, złożonym w znacznej części z lodu wodnego (ale z innymi lodami) zmieszanego z ziarnami krzemianu i pyłem. Propozycja ta stała się znana jako model “dirty snowball”.

Rysunek 4: Przechwycony Pył Komety. Uważa się, że ta cząstka (widziana przez mikroskop) jest maleńkim fragmentem pyłu kometarnego, zebranego w górnej atmosferze Ziemi. Mierzy około 10 mikronów lub 1/100 milimetra średnicy. (źródło: NASA / JPL)

para wodna i inne substancje lotne, które uciekają z jądra, gdy jest ogrzewane, mogą być wykryte w głowie i ogonie komety, a zatem możemy użyć widm do analizy atomów i cząsteczek, z których składa się jądro lodu. Jednak jesteśmy nieco mniej pewni nie-lodowego komponentu. Nigdy nie zidentyfikowaliśmy fragmentu materii stałej z komety, który przetrwał przejście przez ziemską atmosferę. Jednak statki kosmiczne, które zbliżyły się do komet, miały detektory pyłu, a niektóre pyły komet zostały nawet zwrócone na Ziemię (patrz rysunek 4). Wydaje się, że większość “brudu” w brudnej kuli śnieżnej to ciemne, prymitywne węglowodory i krzemiany, podobnie jak materiał uważany za obecny na ciemnych, prymitywnych asteroidach.

ponieważ jądra komet są małe i ciemne, trudno je badać z ziemi. Sonda uzyskała bezpośrednie pomiary jądra komety, jednak w 1986 roku, kiedy trzy sondy przeleciały obok komety Halleya z bliskiej odległości (patrz rysunek 5). Następnie inne statki kosmiczne poleciały blisko innych komet. W 2005 roku sonda NASA Deep Impact przeprowadziła nawet sondę do szybkiego zderzenia z jądrem komety Tempel 1. Ale zdecydowanie najbardziej produktywnym badaniem komety była Misja Rosetta 2015, którą omówimy wkrótce.

Rysunek 5: Zbliżenie komety Halleya. To historyczne zdjęcie czarnego, o nieregularnym kształcie jądra komety Halleya zostało uzyskane przez sondę kosmiczną ESA Giotto z odległości około 1000 kilometrów. Jasne obszary to strumienie materiału uciekającego z powierzchni. Długość jądra wynosi 10 kilometrów, a szczegóły tak małe jak 1 kilometr mogą być wykonane. (kredyt: modyfikacja prac przez ESA)

atmosfera komety

spektakularna aktywność, która pozwala nam zobaczyć komety, jest spowodowana parowaniem lodów kometarnych ogrzewanych przez światło słoneczne. Poza pasem Planetoid, gdzie komety spędzają większość czasu, te lody są solidnie zamrożone. Ale gdy Kometa zbliża się do słońca, zaczyna się rozgrzewać. Jeśli woda (H2O) jest dominującym lodem, znaczne ilości parują, gdy światło słoneczne ogrzewa powierzchnię powyżej 200 K. dzieje się tak w przypadku typowej komety nieco poza orbitą Marsa. Odparowujący H2O z kolei uwalnia pył zmieszany z lodem. Ponieważ jądro komety jest tak małe, jej grawitacja nie może powstrzymać ani gazu, ani pyłu, z których oba wypływają w Przestrzeń Kosmiczną z prędkością około 1 kilometra na sekundę.

Kometa nadal absorbuje energię, gdy zbliża się do Słońca. Duża część tej energii trafia do odparowywania lodu, a także do podgrzewania powierzchni. Jednak ostatnie obserwacje wielu komet wskazują, że parowanie nie jest jednolite i że większość gazu jest uwalniana w nagłych tryskach, być może ograniczonych do kilku obszarów powierzchni. Rozszerzając się w Przestrzeń Kosmiczną z prędkością około 1 kilometra na sekundę, atmosfera komety może osiągnąć ogromne rozmiary. Średnica głowy komety jest często tak duża jak Jowisz, a czasami może zbliżyć się do średnicy miliona kilometrów (Rysunek 6).

Rysunek 6: Głowa komety Halleya. Tutaj widzimy chmurę gazu i pyłu, które tworzą głowę Komy komety Halleya w 1986 roku. W tej skali jądro (ukryte w chmurze) byłoby kropką zbyt małą, aby ją zobaczyć. (źródło: modyfikacja prac NASA/W. Liller)

Rysunek 7: Orbita i ogon komety. Orientacja typowego ogona komety zmienia się, gdy Kometa przechodzi przez peryhelium. Zbliżając się do Słońca, ogon znajduje się za nadlatującą głową komety, ale w drodze powrotnej ogon wyprzedza głowę.

Większość komet rozwija również ogony w miarę zbliżania się do Słońca. Ogon komety jest przedłużeniem jej atmosfery, składającej się z tego samego gazu i pyłu, które tworzą jej głowę. Już w XVI wieku obserwatorzy zdali sobie sprawę, że ogony komet zawsze wskazują od Słońca (ryc. 7), a nie cofają się wzdłuż orbity komety. Newton zaproponował, że ogony komety są formowane przez odpychającą siłę światła słonecznego odpychającą cząstki od głowy—pomysł Bliski naszemu współczesnemu poglądowi.

dwa różne składniki, które tworzą ogon (pył i gaz) działają nieco inaczej. Najjaśniejsza część ogona nazywana jest ogonem pyłowym, dla odróżnienia od słabszego, prostego ogona wykonanego ze zjonizowanego gazu, zwanego ogonem jonowym. Ogon jonowy jest przenoszony na zewnątrz przez strumienie jonów (naładowanych cząstek) emitowanych przez słońce. Jak widać na rysunku 8, gładszy ogon pyłu jest nieco zakrzywiony, ponieważ pojedyncze cząstki pyłu rozprzestrzeniają się po orbicie komety, podczas gdy prosty jon jest ogonem wypchniętym bardziej bezpośrednio na zewnątrz od Słońca przez wiatr naładowanych cząstek naszej Gwiazdy

Rysunek 8: Ogony Komet. a) gdy Kometa zbliża się do Słońca, jej cechy stają się bardziej widoczne. Na tej ilustracji z NASA pokazującej kometę Hale-Bopp, można zobaczyć dwa ogony komety: łatwiej widoczny ogon pyłu, który może mieć do 10 milionów kilometrów długości, i słabszy ogon gazu (lub ogon jonowy), który ma do setek milionów kilometrów długości. Ziarna, które tworzą ogon pyłu, są wielkości cząstek dymu. (b) Kometa Mrkos została sfotografowana w 1957 roku za pomocą teleskopu wide-field w Obserwatorium Palomar i wykazuje również wyraźne rozróżnienie pomiędzy prostym ogonem gazowym a zakrzywionym ogonem pyłowym. (kredyt a: modyfikacja pracy eso / E. Slawik; kredyt b: modyfikacja pracy Charles Kearns, George O. Abell i Byron Hill)

Misja Rosetta Comet

w latach 90.europejscy naukowcy postanowili zaprojektować znacznie bardziej ambitną misję, która dopasowałaby orbity do zbliżającej się komety i podążała za nią, gdy zbliżała się do Słońca. Zaproponowano również, aby mniejszy statek kosmiczny próbował wylądować na komecie. 2-tonowy główny statek kosmiczny otrzymał nazwę Rosetta, przewożący tuzin instrumentów naukowych, a jego 100-kilogramowy lądownik z dziewięcioma innymi instrumentami otrzymał nazwę Philae.

Misja Rosetta została uruchomiona w 2004 roku. Opóźnienia z rakietą nośną spowodowały, że przegapiła ona swoją pierwotną kometę docelową, więc wybrano alternatywny cel, kometę Churyumov-Gerasimenko (nazwaną na cześć dwóch odkrywców, ale ogólnie oznaczoną 67P). Okres obrotu tej komety wynosi 6,45 roku, co czyni ją kometą z rodziny Jowisza.

ponieważ Europejska Agencja Kosmiczna nie miała dostępu do zasilanych plutonem źródeł energii jądrowej wykorzystywanych przez NASA do misji głębokiego kosmosu, Rosetta musiała być zasilana energią słoneczną, wymagając szczególnie dużych paneli słonecznych. Nawet te nie wystarczyły, aby statek działał, ponieważ pasował do Orbit 67P w pobliżu aphelionu komety. Jedynym rozwiązaniem było wyłączenie wszystkich systemów kosmicznych i pozostawienie jej przez kilka lat w kierunku słońca, bez kontaktu ze sterownikami na ziemi, dopóki energia słoneczna nie będzie silniejsza. Sukces misji zależał od automatycznego zegara, który włączał zasilanie, gdy zbliżał się do Słońca. Na szczęście ta strategia zadziałała.

w sierpniu 2014 roku Rosetta rozpoczęła stopniowe zbliżanie się do jądra komety, które jest dziwnie zniekształconym obiektem o średnicy około 5 kilometrów, zupełnie innym od gładkiego wyglądu jądra Halleya (ale równie ciemnego). Jego okres rotacji wynosi 12 godzin. 12 listopada 2014 lądownik Philae został zrzucony, schodząc powoli przez 7 godzin, a następnie delikatnie uderzając w powierzchnię. Odbił się i toczył, odpoczywając pod zwisem, gdzie nie było wystarczająco dużo światła słonecznego, aby utrzymać naładowane baterie. Po kilku godzinach pracy i przesłaniu danych z powrotem na orbitę, Philae zamilkł. Główna sonda Rosetta kontynuowała jednak działalność, ponieważ poziom aktywności komet wzrastał, a z powierzchni wydobywały się parowce gazu. Gdy Kometa zbliżyła się do Peryhelium we wrześniu 2015 roku, sonda wycofała się, aby zapewnić jej bezpieczeństwo.

zakres obrazów Rosetty (i danych z innych instrumentów) znacznie przekracza wszystko, co astronomowie widzieli wcześniej z komety. Najlepsza rozdzielczość obrazowania była prawie o 100 większa niż w najlepszych obrazach Halleya. W tej skali Kometa wydaje się zaskakująco szorstka, z ostrymi kątami, głębokimi jamami i nawisami (Rysunek 9).

Rysunek 9: dziwny kształt i cechy powierzchni komety 67P. (a) zdjÄ ™ cie to z kamery Rosetta wykonane zostaĹ ‘o z odlegĹ’ oĹ ” ci 285 kilometrĂłw. Rozdzielczość wynosi 5 metrów. Widać, że kometa składa się z dwóch sekcji z łączącą je “szyjką”. b) zbliżenie komety Churyumov-Gerasimenko pochodzi z lądownika Philae. Jedna z trzech stóp lądownika jest widoczna na pierwszym planie. Sam lądownik jest głównie w cieniu. (kredyt a: modyfikacja pracy ESA / Rosetta / MPS dla zespołu OSIRIS MPS / UPD / LAM/IAA / SSO / INTA/UPM/DASP / IDA; kredyt B: modyfikacja prac ESA / Rosetta / Philae/CIVA)

dwuczłonowy kształt jądra 67P został wstępnie przypisany zderzeniu i połączeniu dwóch niezależnych jąder komety dawno temu. Sonda potwierdziła, że ciemna powierzchnia komety pokryta jest związkami organicznymi bogatymi w węgiel, zmieszanymi z siarczkami i ziarnami żelaza i niklu. 67P ma średnią gęstość zaledwie 0,5 g/cm3 (woda w tych jednostkach ma gęstość 1 g/cm3.) Ta niska gęstość wskazuje, że kometa jest dość porowata, to znaczy, że wśród jej materiałów znajduje się duża ilość pustej przestrzeni.

wiadomo już, że parowanie komet było sporadyczne i ograniczało się do małych dżetów, ale w komecie 67P zostało to przeniesione do ekstremum. W tym samym czasie ponad 99% powierzchni jest nieaktywne. Aktywne otwory wentylacyjne mają tylko kilka metrów średnicy, a materiał ogranicza się do wąskich strumieni, które utrzymują się przez zaledwie kilka minut (Rysunek 10). Poziom aktywności jest silnie uzależniony od ogrzewania słonecznego, a w okresie od lipca do sierpnia 2015 r.wzrósł o współczynnik 10. Analiza izotopowa deuteru w wodzie wyrzuconej przez kometę pokazuje, że różni się on od wody znalezionej na Ziemi. Tak więc najwyraźniej komety takie jak 67P nie przyczyniły się do powstania naszych oceanów lub wody w naszych ciałach, jak myśleli niektórzy naukowcy.

Rysunek 10: dżety gazowe na komecie 67P. (a) aktywność ta została sfotografowana przez sondę Rosetta w pobliżu peryhelium. Widać nagle pojawiający się odrzutowiec, który był aktywny tylko przez kilka minut. (b) to spektakularne zdjęcie, wykonane w pobliżu peryhelium, pokazuje aktywną kometę otoczoną wieloma dżetami gazu i pyłu. (kredyt a, b: modyfikacja pracy ESA / Rosetta/ MPS; kredyt c: modyfikacja pracy ESA / Rosetta/NAVCAM)

Słowniczek

Kometa: małe ciało lodowatej i zakurzonej materii, które krąży wokół Słońca; kiedy Kometa zbliża się do Słońca, część jej materiału odparowuje, tworząc dużą głowę Delikatnego gazu i często ogon

jądro (komety): stały kawałek lodu i pyłu w głowie komety

ogon: ogon składa się z dwóch części: ogon pyłu jest wykonany z pyłu rozluźnionego przez sublimację lodu w komecie, który jest następnie pchany przez fotony ze Słońca do zakrzywionego strumienia; ogon jonowy jest strumieniem zjonizowanych cząstek odparowanych z komety, a następnie zmiatanych od Słońca przez wiatr słoneczny